第十四章 原子 原子核.doc

第十四章 原子 原子核第一节 原子知识要点 （一）物质的组成物质是由分子、原子组成的原子又由带正电的原子核和带负电的电子组成。（二）电子的发现和汤姆孙的原子模型（西瓜模型）19世纪末，英国物理学家汤姆孙研究伦琴发现的X射线，认为这种带负电的粒子是构成各种物质的共有成分，是原子的组成部分，人们把它叫做电子。电子电量 e=1.6021910-19C电子质量 m=9.1095310-31kg20世纪初，汤姆孙提出原子模型：原子是一个直径约为10-10m的球体，正电荷均匀分布在整个球体中，带负电的电子就嵌在其中，如图14-1所示。（三）a粒子散射实验和卢瑟福的原子核式结构模型（行星模型）英国物理学家卢瑟福用a粒子轰击金箔的实验如图14-2所示，实验结果表明，绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，但有少数发生了较大的偏转，并有极少数a粒子偏转超过900，有的甚至几乎达到1800，被反弹回来，这就是a粒子散射现象。卢瑟福在1911年提出原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转，如图14-3所示。（四）玻尔的原子模型1913年丹麦物理学家玻尔用普朗克提出的量子理论改造了卢瑟福的原子的核式结构模型，提出三条假设，从而建立了玻尔的原子模型，如图14-4所示。三条假设：（1）原子只能处在一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不对外辐射能量，这些状态就叫做定态。（2）原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道半径绕核运动相对应。电子绕核运动时，只有电子的动量和轨道半径的乘积等于h/2的整数倍的那些轨道才是稳定的，即 （n=1,2,3,）式中 h普朗克恒量； n量子数。（3）原子从能量Ei的定态跃迁到能是为Ef的定态时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由两个定态的能量差决定，即Hv=Ei-Ef疑难分析1.汤姆孙原子模型与卢瑟福原子模型的主要区别是什么？为什么说a粒子散射实验否定了汤姆孙的原子模型？汤姆孙的原子模型认为带正电的物质均匀地分布在原子的球体内，而卢瑟福原子模型认为原子中的全部正电荷集中在原子中心的一个很小的原子核中；汤姆孙原子模型认为电子嵌在原子的球内，只能在自己的平衡位置附近振动，而卢瑟福原子模型认为电子在原子核外空间绕核旋转。根据汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，电子的质量又很小，当a粒子穿过原子时，它受到两侧天电荷的斥力，有相当大的部分互相抵消，因而使a粒子的偏转的力不会很大。a粒子散射的实验结果是少数a粒子发生较大的偏转，并且有极少数a粒子的偏转超过900，有的甚至几乎达到1800，这是汤姆孙模型所无法理解的。卢瑟福认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域，才有可能出现a粒子的大角度的散射如图14-5所示。2.根据a粒子散射实验，可以估计出原子核的直径约为10-15-10-14m。若a粒子的动能是3.95MeV,若与金的原子核发生对心碰撞,问此a粒子最接近金核中心处的距离是多少？（a粒子带电量为2e，金的原子序数Z=79）a粒子接近金原子核的过程中，由于受到库化斥力的作用，它的动能逐渐减少，变成了电势能，电势能逐渐增加。当a粒子接近金原子核的距离为d时，其动能全部转变为电势能。即 所以 由此可知，金原子核的半径应小于5.7610-14m。例题解析按卢瑟福的原子模型，氢原子的核外电子质量为m，电量为-e，作轨道半径为r的匀速圆周运动。求：（1）电子运动的速率和动能；（2）电子绕核转动的频率解：氢原子核对核外电子的库仑引力远大于它们之间的万有引力，万有引力不计。所以电子绕核转动的向心力是库仑引力。 所以 所以 又 且所以 知识拓宽玻尔理论对氢原子光谱规律的解释。玻尔在三条假设的基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学计算出氢原子的电子轨道半径和电子在各条轨道上运动时原子的能量（图14-6）。 （n=1,2,3,）且 r1=0.5310-10m E1=-13.6eV氢原子的核外电子从能量较高的轨道n跃迁到能量较低的轨道2时，辐射出的光子能量为 hv=En-E2 所以 由此公式可以计算出氢原子的各种光谱，不但成功地解释了氢光谱的巴耳末系，也同样成功地解释了氢光谱的其他线系，获得了明显的成功。但是，由于保留了过多的经典理论，玻尔理论不能用来解释比较复杂的其他原子的原子光谱。可是在玻尔理论中引入了量子理论，为人类深入地、完善地认识微观世界的规律性及其本质开辟了新的道路。例1 根据玻尔理论，氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道后，则（A）原子的能量增加，电子的动能减少 （B）原子的能量增加，电子的动能增加（C）原子的能量减少，电子的动能减少 （D）原子的能量减少，电子的动能增加解：这是一道玻尔理论与经曲电磁理论相结合的题目。电子由外层跃迁到内层，核引力（库仑引力）对电子做正功，电子动能增加。 核引力电子由外层到内层，绕核旋转的轨道半径在减小，由库仑力作为电子作圆周运动的向心力，从而确定出其轨道半径和电子动能间的关系 即 或 又由于库仑力做正功，电子绕核与核共有的电势能减少，其数值为，但为负值；也可以看出其动能大小是电势能绝对值的一半。电子由外层跃迁到内层的过程中要向外辐射光子，则原子数量（电子动能和电势能之和）减少，故选（D）。例2 由图14-6(a)所示，若氢原子处于最低的4个能级，氢原子在这些能级之间跃迁所辐射的光子的频率最多有几种？其中最小的频率为多少（保留两位有效数字）？解：由数学知识可得到所辐射的光子有 种辐射光子的能量是由光子的频率决定的，要求出最小频率的光子，两个能级之间的能量差就应最小。由 hv=Ei-Ef则 练习题 一、选择题1卢瑟福的a粒子散射实验显示了下列哪种情况？ （ ）（A）原子内的正电荷全部集中在原子核里（B）原子内的正电荷均匀分布在它的全部体积内（C）原子内的正电荷分布在原子的外壳上（D）原子的几乎全部质量都集中在原子核里2.在a粒子散射的实验中，并没有考虑a粒子跟电子的碰撞，这是由于下列何种原因？ （ ）（A）a粒子并不跟电子相作用（B）a粒子跟电子相碰时，损失的能量很少，可忽略（C）电子的体积实在太小，a粒子碰撞不到（D）a粒子跟各电子相碰撞的效果互相抵消3.在a粒子散射的实验中，有两个a粒子，其中散射角度大的那个a粒子是属于下列哪种情况？ （ ）（A）更为接近原子核 （B）更为远离原子核（C）可能更接近也可能更远离原子核 （D）受一个以上的原子核的作用4.卢瑟福实验中少数a粒子大角度偏转的原因是 （ ）（A）a粒子与原子核碰撞 （B）原子核比a粒子大（C）原子的结构为核式结构 （D）a粒子和原子核带同种电荷相斥5.在a粒子散射实验中，当a粒子最接近金原子核时,a粒子符合下列哪种情况？（A）动能最小 （B）势能最小（C）和金原子核组成的系统的总能量最小（D）所受原子核的斥力最小6.当氢原子的核外电子由离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道时，下列说法正确的是： （ ）（A）吸收光子，电子的动能和势能都增大（B）放出光子，电子的动能和势能都减小（C）吸收光子，电子动能减少，电势能增大（D）放出光子，电子动能增大，电势能减少7某物质受到光照后能发射荧光，若入射光的波长为0，该物质发射荧光的可能波长为，关于这两个波长长短的下列判断正确的是 ( )（A）一定只有=0 （B）一定只有0（C）一定有0 （D）一定有0二、填空题1.电子是 发现的，为了解释a粒子散射实验 提出了原子的核式结构学说。2.a粒子散射实验结果表明， a粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有 发生了较大的偏转，并有 a粒子的偏转超过900，有的甚至几乎达到 ，被反弹回来。3原子的核式结构模型，认为在原子的 有一个很小的核，叫做原子核。原子的全部 和几乎全部 都集中在原子核里，带负电的 在核外空间里绕核旋转。4.从a粒子散射实验的数据估计出原子的大小约为 - 米。原子半径大约是 米，原子核的半径只相当于原子半径的 ，原子核的体积只相当于原子体积的 。三、计算题氢原子的核外电子质量为m，电量为-e，在离核最近的轨道上电子绕核旋转，轨道半径为r1，试计算下列问题：(1) 电子绕核运动的周期T为多少？ (2)电子转动相当于环形电流的电流强度I是多少？ (3)氢原子核的电子轨道处产生的电场强度E为多大？参考答案 一、选择题1.(A)(D); 2.(B); 3.(A); 4.(D); 5.(A); 6.(C); 7.(D)二、填空题1.汤姆孙，卢琵福； 2.绝大多数、少数、极少数； 3.中心、正电荷，质量，电子；4.10-15m,10-14m,10-10m,万分之一，万亿分之一三、计算题 、第二节 原子核知识要点 （一）原子核的符号 其中 X元素的符号； Z原子核的电荷数； A原子核的质量数。（二）天然放射现象和三种射线能够自发地放出射线（可穿透黑纸，使照相底片感光）的元素叫作放射性元素，这种现象叫作天然放射现象。发现这种现象的是法国物理学家贝克勒尔，研究这种现象的有法国物理学家皮埃尔居里、玛丽居里夫妇等。射线分成三部分，如图14-7所示。（1）射线。它是高速的氦原子核（）粒子流。其速度约为光在真空中速度的，贯穿本领很小，电离作用和感光作用很强。（2）射线。它是高速的电子（）流，速度接近光速，贯穿本领较强，电离作用较弱。（3）射线。是频率很高的光子流。贯穿本领最强，电离作用最弱。（三）放射性元素的衰变原子序数大于83的天然存在的元素的原子核都不稳定，会自发地放出射线变为另一种元素的原子核，这种变化叫做原子核的衰变。（1）衰变。原子核放出粒子的衰变（2）衰变。原子核放出粒子的衰变 （3）衰变。原子核放出光子，是伴随a粒子或粒子产生而向外辐射的。（4）衰变规律。衰变前原子核的质量数和电荷数与衰变后生成的新核及放出的粒子的质量数与电荷数是守恒的。（5）半衰期。半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间。它是由这种元素的原子核内部本身的因素决定的，与原子所处的物理状态或化学状态无关。不同元素具有不同的半衰期，有的长达几十亿年，有的短到几万分之一秒。（四）原子核的人工转变（用人工方法使原子核发生转变的过程）（1）质子的发现（卢琵福）方程如下，实验装置见示意图14-8。 （2）中子的发现（查德威克）方程如下，实验装置见示意图14-9。 （五）原子核的组成原子核是由质子和中心（统称核子）组成的。质子数就是核电荷数，也就是原子序数，中子数则是核的质量数和核电荷数之差。质子数相同，中子数不同的原子互称同位素。疑难分析 1.放射性元素衰变的半衰期。半衰期是说某元素的大量原子核衰变的平均快慢程度。它是该元素大量的原子核内在的自发产生的一种统计规律。半衰期只适用于大量放射性原子构成的样品。如果放射性元素的原子核数目极少或者为个别的原子核，半衰期就没有意义了。因为这时失去了统计规律存在的前题。这些极少数的原子核经过多长时间发生衰变，以及衰变的快慢程度是受偶然因素支配的，我们无法预测。半衰期的定义是放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间。设原来的原子核的数目为n0，放射后剩余的这元素的原子核的数目为n，半衰期为T，衰变的时间为t，他们之间的关系式为： 又因为放射性元素的质量和它包含的原子核的数目成正比。因此可以相应假设原来的元素的质量为m0，放射后剩余的这元素的质量为m，半衰期为T，衰变的时间为t，他们间的关系公式应为 注意，半衰期不是放射性元素平均寿命的一半。放射性元素经过半衰期是其半数核发生衰变，而该元素的样品的总质量并非减半。2.放射性元素的衰变是否属于核反应。放射性元素的原子核在发生衰变后变成新的原子核，从原子核的变化的这个意义上来说，可以认为衰变是核反应，所以有些书上的习题中把衰变和原子核的人工转变统称为核反应。但是，核反应是说某种微观粒子与原子核相互作用时，使核的结构发生变化，形成新核，并放出一个或几个粒子的过程。这是一个被动的过程。而衰变是不稳定的原子核自发放出射线变为另一种元素的原子核的现象。这是一个自发的过程。因此，核反应就它的定义来说是不包括衰变的，所以放射性元素的衰变不属于核反应。当然，我们应该强调：无论是衰变还是核反应，它们都必须遵从能量、动量、质量(数)和电荷(数)等于恒定律。我们还应特别指出，无论是原子核的衰变还是原子核的人工转变都不能凭空想象，也不能认为只要符合电荷数、质量数守恒的随意书写就可以了，而是要根据实验事实来决定的。核反应通常是不可逆的，方程中只能用箭头“”连接并指明反应方向，而不能用等号连接。3.在原子核的衰变中，放出射线、射线和正电子的原因。原子核是由质子和中子组成的。虽然核子(质子、中子)在很小的原子核里紧密地聚集在一起，但是他们还是在不断地运动着和变化着。而两个质子跟两个中子常常更紧密地结合在一起，形成一个粒子，离开原子核成为射线。原子核中是没有电子的，但在一定条件下，核内的一个中子可以变成一个质子，同时放出一个电子，离开原子核，从而形成射线。其方程为 原子核中更是没有正电子的，但是粒子轰出铝箔，新生成的原子核是磷的同位素，具有放射性，像天然放射性元素一样会发生衰变，并且也有一定的半衰期，衰变时放出正电子，核反应与衰变方程是： (正电子)也就是说磷的同位素具有这样的条件，在它的核内的一个质子变成一个中子的同时，放出一个正电子。这里我们还应该说明：物质的粒子(电子和正电子)和电磁场辐射(光子)间可以发生相互转变。当一个电子和正电子结合就会转变成光子辐射，方程为 (光子)但是，大能量(超过1MeV)的光子和原子核相互作用，也可以产生电子和正电子。例题解析1.要经过几次衰变和几次衰变，最后衰变成稳定的？解：设经过X次衰变和Y次衰变，则衰变方程的通式写作为 根据衰变过程中的质量数守恒和电荷数守恒，我们可以分别列出方程 226=206+4X 88=82+2X-Y解得： X=5 Y=4则放射性元素镭原子核要经过5次衰变和4次衰变后才能变成稳定的铅核。2.铋的半衰期是5天，32克的铋经过20天后还剩下多少？如果它的质量变为原来质量的，那么需要经过多少天的衰变？解：铋的半衰期是5天，20天就是四个半衰期，即把32克减半四次，得2克。如果质量变为原来的，说明经过五次减半（32=25），即五个半衰期，等于25天。列方程解：设原来的质量为m0，剩余的质量为m，半衰期为T，经过的时间为t，则 （克）又 （天）3.半衰期为6天的某放射源，第一天和第七天衰变的质量之比是多少？解：第一天，即经过了个半衰期，则 第七天，即经过了半衰期后的第一天，也就是经过了半衰期再经过个半衰期。 所以 4.铀238的半衰期是4.5109年。假设有一声纯铀238矿石1千克，经过45亿年（相当于地球的年龄）以后，还剩多少铀238？假设发生衰变的铀238都变成了铅206，矿石中会有多少铅？这时铀铅的比例是多少？解：已知：铀238的半衰期T=4.5109年铀238矿石的衰变时间 t=4.5109年由衰变的半衰期公式 m衰变=1-0.5=0.5(kg)又由衰变方程： 238:206=0.5:mpb得 mPb=0.433kg则 mU:mPb=0.5:0.433=1.15:1由此我们也应该注意到纯铀238衰变后成为含铀、铅矿石，矿石的质量由1千克变成了(0.5+0.433=)0.933千克。其矿石样品的总质量并没有减半。5.分析一古树时发现它的的含量是活树含量的，则此古树已死了多少年？（已知：的半衰期是5600年，lg2=0.301,lg5=0.6990）解：地球表面含有，树木生长（未死之前）时吸引，而且吸收的比例是一定的。树木死后则不再吸收，具有放射性，它放出电子和中微子后变成 。设活树的含量为m0，则死树中的含量为。也就是说，死树中的衰变了，还剩余由衰变的半衰期公式 即 所以 （年）古树死了约为1800年。6.铀核内有多少个质子，多少个中子？1克轴（235）有多少个质子，多少个电子，多少个中子？解：质子数为92个，中子数为（235 -92）即143个。又，235克轴（235）为1mol,而1mol轴所含的原子个数为6.021023个（阿弗加德罗常数）。所以，1克轴为mol，其原子数为6.021023个。而每个原子含有92个质子和电子，含有143个中子。故 质子和电子个数为 （个）中子个数为 （个）7.为了测定水库中的存水量，用一瓶含有放射性同位素的溶液倒入水库中，已知该瓶同位素的半衰期为2天。这时瓶内同位素每分钟衰变6107次，衰变后的物质无放射性。经过8天后，该溶液已均匀分布在水库中，取出1m3的水进行测定，测得每分钟衰变20次,那么水库中的存水量为多少m3?解:已知:半衰期T=2天,衰变时间t=8天。设：瓶内含有放射性同位素的核子数为N0，8天衰变后剩下的放射性同位素的核子数为N由衰变公式 又因每分钟衰变的次数与放射性同位素的核子数成正比，8天后剩下的放射性同位素的每分钟衰变次数为n 所以 那么，整水库的Vm3水中含有的放射性同位素每分钟衰变次，而1m3的水中含有的放射性同位素每分钟仅衰变20次。 得 V=1.875105m3水库中的存水量由此测得为1.875105m3。8.如果把氦的原子核看成是一个均匀的球，试估算氦原子核的密度约为多少？（两位有效数字）解：氦的原子核是由两个质子和两个中子组成的，查表可知中子质量和质子质量均约为mn=mp=1.6710-27kg。氦的原子核可看成是一个均匀的球，球的半径的数量级为r=10-14m由密度公式：相当于每立方毫米物质的质量为1600吨。知识拓宽 1.各种微粒、粒子的直径的数量级。 作布朗运动的微粒 10-6m 晶体 10-7m-10-15m 分子 10-9m-10-10m 原子 10-10m 原子核 10-14m 质子 10-15m 中子 10-15m 电子 小于10-18m 夸克 小于10-18m2.物质结构的基本单元和“基本粒子”。很久以来，人们一直在探究物质结构的基本单元。最初人们把元素的最小单元原子看作是不可分的，到20世纪初，人们认识到原子是原子核和电子构成的，后来又进一步认识到构成原子核的是质子和中子，它们是最小的不可分的，因而人们把质子、中子、电子，看作是物质结构的基本单元，把质子、中子、电子和光子称之为“基本粒子”。但是，不久又在衰变中发现了中微子和正电子，接着又在宇宙射线中发现了介子、介子，K介子和超子等。近年来又探测到更多的基本粒子，比较稳定、寿命比较长能探测的已有35种，此外，寿命很短的也有了大量的发现，现在已发现的基本粒子有300多种。基本粒子已经这么多，而且这些所谓的“基本粒子”有些还有内部结构，所以基本粒子并不基本。为了探索某些基本粒子的内部结构，美国物理学家盖尔曼等人在1963年提出了夸克模型，目前夸克的模型理论在逐渐的发展和完善。人类对物质的结构的认识仍然在不断的深入、前进。3.射线的探测器在原子物理学中的各种物理现象都是微观现象，是不能用肉眼直接观察的，因而研究原子物理所用的方法就和以往不同，需要特殊的仪器和装置。这些仪器和装置是根据我们所需要观察的对象的特性制作的。我们探测射线，就是根据这三种射线的主要特性制造了云室、计数器等，来进行观察和探测的。（1）威尔逊云室（如图14-10所示）。云室是利用射线能使气体电离的特性制成的，是用来探测射线粒子并显示它们的径迹的仪器。各种射线都使气体电离，电离本领的大小与射线荷电的多少、速度的大小和质量大小诸条件有关。a粒子的电离本领最大，粒子次之，粒子最弱。气体电离后的离子也是看不见的，但在过饱和的水汽里，它是水汽凝结的核，水汽在离子上凝为雾珠，通过雾珠形成雾迹，就可以观察到射线的径迹了。而云室中的过饱和水汽是利用绝热膨胀造成的低温来获取的。粒子质量大，在气体中行进时不易改变方向，而且电离本领大，所以雾迹直而粗。粒子质量小，与气体分子碰撞时易改变方向，而且电离本领小，所以其雾迹细且有弯曲。粒子电离本领更小，有时能产生一些细碎的雾迹，如图14-11所示。英国科学家布拉凯特在充氮的云室里做粒子轰击氮核的实验，并且摄取了云室中雾迹的照片，由其他叉情况表明：其中短而粗的是反冲氧核的径迹，而细而长的是质子的径迹。最后才确定其核反应方程为 图14-12是云室照片和径迹示意图。（2）计数器。计数器的主要部分是计数管，它是一支玻璃管，里面有一个导电的圆筒作阴极，一根通过圆筒轴心的金属丝作阳极（图14-13所示），管里装入惰性气体和少量的乙醇汽或溴气，气压大约是1.3104-2.7104帕。在两极加上大约800-1500伏的直流电压，这个电压略低于管内气体的击穿电压。当有射线粒子飞进管内，使管内气体电离时，产生的电子在电场作用下向阳极加速运动。电子在运动中能量越来越大，达到一定值时，跟气体分子碰撞，又可使气体分子电离，再产生电子，于是经过一段很短时间，就会产生大量电子。这些电子到达阳极，正郭子到达阴极，就使计数管发生一次短暂的放电，从而得到一个脉冲电流，这个脉冲电流可以用电子设备记录下来。练习题 一、选择题1.衰变中放出的电子来自（A）原子核外轨道上的电子（B）原子核内所含有的电子（C）原子核内中子转变为质子时放出的电子（D）原子核内质子转变为中子时放出的电子2.如图14-14所示是放射源放射出的三种射线在电场中偏转的情况。由图可知 （ ）（A）射线I电离本领最强（B）射线II电离本领最强（C）射线I贯穿本领最强（D）射线III贯穿本领最强3.放射性原子核放出一个粒子，再放出一个粒子，衰变成一个新原子核，则新核比原来的核 （ ）（A）质子减少3个，中子减少1个 （B）质子减少2个，中子减少1个（C）质子减少4个，中子减少2个 （D）质子减少1个，中子减少3个4.元素X和Y是同位素，它们分别进行下列衰变过程 那末，以下说法正确的是： （ ）（A）P和R是同位素 （B）R的质子数最多（C）X和R的原子序数相同 （D）X和R的质量数相同5.经一次a衰变后，变成新元素原子核中含有中子数为 （ ）（A）148 （B）144 （C）142 （D）1406.的半衰期为11.2天，1kg镭经过56天后还剩下这种元素的质量为 （ ）（A）kg （B）kg （C）kg （D）kg7.同位素的原子有（A）相同的核子数，不同的中子数（B）相同的中子数，不同的质子数（C）相同的质子数和电子数，不同的中子数（D）相同的核子数，不同的质子数和中子数8.实验发现某粒子X具有下述特点，在磁场中的偏转与a粒子偏转方向相同，它的荷质比为质子的荷质比的。由此，可将此粒子表示为 （ ）（A） （B） （C） （D）9.一放射源发射某种射线，当用一张笔记簿纸放在放射源的前面时，强度减少为原来的，而当1厘米厚的铝片，放在放射源和计数器之间时，强度减少到几乎等于零，放射源所发射的是： （ ）（A）仅是射线 （B）仅是射线（C）是和射线 （D）是和射线10.如图14-15所示为查德威克实验示意图，由天然放射性元素钋(Po)放出的射线轰击铍(Be)时会产生粒子流A，用粒子流轰击石蜡时，打出粒子流B，经研究知道： （ ）（A）A为中子，B为质子 （B）A为质子，B为中子（C）A为射线，B为中子 （D）A为中子，B为射线11.一声氡222放在天平左盘上，右盘加444克砝码，天平处于平衡，氡发生衰变，经过一个半衰期时间后，欲使天平再平衡，应从右盘中取出砝码的质量为 （ ）（A）220克 （B）8克 （C）4克 （D）2克二、填空题1.首先发现天然放射现象的是法国物理学家 ；后来又刻苦研究这一现象的是法国科学家 和 。2.用的符号形式写出下列各个元素的原子核。 氢： 锂： 氦： 氧： 氮： 铝： 铅： 3.根据射线、射线和射线的性质，填写下表：射线种类组成速度贯穿本领电离作用4.写出下列常用的粒子的符号粒子： 粒子： 粒子： 质子： 中子： 电子： 正电子： 氘核： 氚核： 5.下面罗列了一些原子的核电荷数和质量数。试将属于同位素的原子用实线连结起来，将中子数相同的原子用虚线连接起来。6.电子是 发现的，质子是 发现的，中子是 发现的。7.原子核发生 衰变时，核内减少了两个质子和两个中子；发生 衰变时，核内减少一个中子而增加一个质子；发生 衰变时，核内送还和一个质子而增加一个中子。8.完成下列衰变方程，并指出是属于什么衰变？10.静止的原子核经衰变后变成Y原子核，这一衰变方程为 ，若测得粒子的动能为Ek，则反冲核的动能Ek= .11.具有放射性，放出射线，现有1克作为放射源，最初不带电，经过45分钟后，放射源带 电，最多带电量为 库。（已知半衰期T=15分钟）12.用连线连结起左边列出的实验记录和右边所对应的仪器的名称。（A）用于观察粒子径迹的设备 （a）示波器（B）用于记录粒子数目的设备 (b)云室（C）用于观察波的图象的设备 (c)计数器参考答案 一、选择题1.(C); 2.(A); 3.(D); 4.(B); 5.(B); 6.(C); 7.(C); 8.(C); 9.(C); 10.(A); 11.(C)二、填空题1.贝克勒尔，皮埃尔居里，玛丽居里；2.3.氦原子核，C/10，最小，最强，电子流，接近光速c，较大，较强，光子，等于光速c，最大，最弱；4.5.6.汤姆孙，卢琵福，查德威克7.8.第三节 核 能知识要点 （一）核力和核能在原子核里，除了质子间的库仑斥力以外，还有一种存在于核子（质子、中子）间的距离在2.010-15m以内的强大的核力，它把各种核子紧密结合成为稳定的原子核。正是由于核子间存在强大的核力，若要把原子核拆散成核子需要克服核力做巨大的功，因此需要巨大的能量。反之核子结合成原子核时也要放出巨大的能量。这个能量就叫作原子核能，简称核能。（二）质量亏损和质能方程当核子组成原子核时，质量有微小的减少，我们把核子的质量跟原子核质量的差叫作核的质量亏损。爱因斯坦在相对论中提出物体的能量和质量之间有着严格的正比关系，即质能方程E=mc2当质量变化时，必定伴随着能量变化E的单位是焦耳。为了计算核能的方便，我们常用单位换算关系：1u(原子质量单位，即1.6610-27kg)相当于931.5MeV(兆电子伏)所以 则 （三）重核的裂变铀核的裂变：能量较小的慢中子被轴235俘获产生裂变，放出能量。链式反应：用中子轰击铀核产生裂变时，都要放出2-3个中子，这些中子又跟其他铀核作用，引起新的裂变并产生第二代中子，第二代中子又使铀核裂变产生第三代中子，这样裂变反应就像链条一样，环环相扣持续不断地进行下去 。核反应堆、核电站：核反应堆是可控的链式反应装置，能使核能平衡释放。核反应堆中应有减速剂（石墨、重水D2O、水），控制棒（镉棒），冷却剂（水、空气）和水泥防护层等。核反应堆里产生的大量的热量将水变成蒸汽，推动汽轮机发电，这就是核电站。（四）轻核聚变聚变：轻核结合成质量较大的核叫聚变，并且放出巨大的能量。如 热核反应：在几百万度高温时，原子将完全离子化，成为等离子体，有部分原子核具有足够大的动能，能够克服相互间的库仑斥力，在相互碰撞中接近到发生聚变而且释放巨大能量，这种在高温下才能发生的轻核聚变又叫热核反应。可控的热核反应：热核反应能释放巨大能量，如能控制，它是一种理想的作为动力的能量来源。我国的四川省乐山地区自行设计了可控核聚变实验装置，英国的欧洲联合环形聚变反应堆也进行了受控聚变实验，还有许多其他国家也都在研究可控的热核反应。但是这是一个十分复杂的问题，至今还没有完满地解决。疑难分析 1.核力是如何产生的？原子是由原子核和在核外空间绕核旋转的电子组成的，原子核和电子是由电磁作用束缚在一起，光子是电磁作用的传递者。原子核是由质子和中子组成的，而且原子核的结合是非常紧密、牢固的，原子核的密度高达107千克/米3，由此可知核子之间有着很强有吸引力，这个引力我们就叫作核力。胶合质子、中子的核力是一种奇妙的力，它的强度远远超过电磁力，但是，作用范围极小，作用的距离只有10-15m（费米）的数量级，超过这个范围核力便趋于零。核力是一种短程的强力。一个核子只同附近几个核子有作用力（核力），而不是同原子核中所有核子起作用。质子和质子之间、中子和中子之间、中子和质子之间的核力是相同的，与是否带电无关。在任意两个核子（中子-中子、中子-质子、质子-质子）间都可以交换一种新的量子，这种量子在某种意义上与光子相似，但它的质量不等于零，而且是可以带电的，正是这种量子充当了核力的传递者。我们现在知道这种新的量子叫作介子和介子。总之，核力是由于核子之间交换介子而产生的。2.如何正确理解质能关系 E=mc2？爱因斯坦在狭义相对论中，写出了公式，并指出：物质的质量是它所含能量的一种量度，如果能量改变了，在同样的意义上，质量改变了/c2。因此，质量是物质的一种属性，它不仅和惯性、引力性质相联系，它还和动量、能量相联系。并且充分说明，物质与运动的不可分割性，物质质量和能量的不可分割性，有m的质量，就隐藏着E的能量，它们的量值是成正比关系的。质量和能量，虽然它们之间具有相当性、对应性或等价性，但这并不等于说，质量就是能量，或者两者可以相互转变。所谓质量和能量可以互相转烃的说法（在某些教材中出现过），以及“物质消灭，能量创生”、“能量消灭，物质创生”等观点是唯心主义的。即使核子组成原子核时，发生了质量声损，伴随着能量释放，但这是同时发生的两回事，只不过它们的量值是成正比关系的。例题解析1.一个电子和一个正电子相遇发生湮灭而转化为一对频率相同的光子，写出这个核反应方程。已知：正负电子的质量均为m=9.110-31kg,光在真空中的速度c=3108m/s,普朗克常数h=6.6310-34Js ,转化前它们的动能都可忽略不计，则转化成光子后光子的波长为多少？解：（光子）光子是没有静质量的，因此正负电子相遇湮灭的质量亏损。湮灭所转化的两个光子的能量数值与质量亏损成正比。由爱因斯坦质能方程： 所以 2.已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u，的质量为3.015u。若两个氘核以相等的动能Ek=0.35MeV相向运动，进行弹性正碰（无动能损失），则在反应中产生的中子和氦核的动能各为多大？解：这是一个聚变核反应，核反应方程为 在这一聚变中有质量的亏损伴有能量的释放，而且反应前又有动能，这两个能量之和认为完全变成氦核和中子的动能之和，反映了能量守恒的规律。又因为反应前是弹性碰撞，应该遵循动量守恒的规律。故 E总=2Ek+E=20.35+2.01362-(1.0087+3.015) 931=3.96106(Ev)又 mnUn+mHcUHc=0 =则 En=E总=3.96106eV=2.97106(eV)EHc=E总=3.96106=0.99106(eV)3.已知一个铀235核裂变时能释放200兆电子伏的能量，问1千克铀完全裂变能够释放多少能量？相当于多少吨煤燃烧所放出的能量？又相当于多少吨梯恩梯（TNT）火药燃烧所放出的能量？已知煤 的燃烧值为7000千卡/千克，火药的燃烧值约为1000千卡/千克。解：1千克铀含有铀核的个数为 n=每个轴核裂变释放200MeV，则1千克铀释放的总能量为 E=2.561024200106eV=5.1210261061.610-19J =8.21013J=1.951013cal=1.951010kcal m煤=千克=2785吨 m火药=千克=19500吨=1.95万吨1千克铀完全裂变释放的能量相当于2785吨煤或相当1.95万吨火药所释放的能量。知识拓宽 1.关于太阳内部的热核反应高悬于蓝天之上的太阳，就像一个熊熊燃烧的大火球，无穷无尽地向外辐射着光和热。地球人类的摇篮只接收太阳放出的能量的二十亿分之一，就使地面温和，万物生长，江河流动，。太阳向外辐射出如此巨大的能量，是由太阳内部的热核反应而产生的，每秒钟辐射出的能量是3.81026焦耳。热核反应式为： 由爱因斯坦质能方程，我们不难算出太阳每秒钟质量的亏损。 每秒太阳质量的亏损，也就是每秒钟消耗的质量为4.2109kg，相当于80艘5万吨巨轮的质量。在能源匮乏的地球上，人们再次把眼睛转向太阳，希望充分利用太阳能的资源。在大气层外空间建立太阳能发电站，再利用微波向地面输送电能太空束能就是设想之一。2.我国核电工业的发展及其安全性、清洁性。1991年12月15日我国自行设计、建造的第一座核电站，30万千瓦的浙江秦山核电站已并网发电。目前又在进行两台60万千瓦二期工程的建设。1996年底，两台70万千瓦的前期工程已开始建设，在本世纪初这里将形成近300万千瓦装机容量的核电基地。1994年2月我国引进资金、设备、技术建设了第一座大型核电站，即90万千瓦的广东大亚湾核电站。能源紧张的问题，是当前人类面临的最重要的问题。若人类能源的消耗量以每年2%的速度增加，那么，到了2050年，世界上的石油资源、天然气资源、煤炭资源都将耗尽，所以，人类必须寻找新的能源，核能源是21世纪所必须依赖的能源。从长远的利益出发，从我国的核资源的储量出发，从我国沿海地区能源的需要出发，从我国核能发电技术设备的规模和技术队伍出发，我国必须、也一定能大力发展核电工业。核电站不是一颗原子弹。尽管两者在原理上相似，但是，原子弹用的原料是高浓度（90%以上）的铀235，核电站用的原料则是低浓度（3%）的铀235，且是与氧结合成二氧化铀的陶瓷块。原子弹爆炸时在短短几秒钟内就把能量集中放出，而核电站是在受控状态下，非常缓慢地释放能量，仅仅是原子弹的链式反应速度的千万分之一。我国的核电站的反应堆的堆型是压水堆，不仅体积小、成本低、技术上成熟，更重要的是它的可靠的安全性和清洁性。首先，我国核电站的设计极其周密、审慎，并留有较大的安全系数，以不污染国土、不危害人民的原则为前提；其次，设置了多重独立安全保护和控制系统：（1）核燃料是二氧化铀陶瓷块，裂变的产物大多仍然是固体，98%以上的放射性物质仍然保存在其中，放射性物质不会跑出来。（2）核燃料密封在锆制的包壳内，并放在水中，核能不排放二氧化碳。（3）核燃料堆芯又放在20厘米厚的、1.5104Pa高压系统内的压力容器内。（4）整个反应堆又安装在厚1米的安全壳内。随着科学技术水平的提高和经济建设的发展，可以预期：在优化能源结构和国家支持核电、实现资金、技术、人才滚动发展的基础上，我国核电站的发展速度和规模将日益加快和扩大。3.在原子核反应堆里，铀核裂变产生的是速度很大的快中子，而容易被铀235俘获的是慢中子。因此，为使链式反应持续下去，必须使快中子迅速减速为慢中子。因此在反应堆里，用石墨作减速剂。